《電機(jī)學(xué)》ElectricalMachinery

電氣工程系

第三章直流電機(jī)3.1直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)3.2直流電機(jī)電樞繞組

3.3空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場

3.4電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩3.5直流電機(jī)的基本方程

3.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性3.8直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3.9換向3.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中，如圖所示是其應(yīng)用的幾種實(shí)例。軋鋼機(jī)電力機(jī)車造紙機(jī)直流電機(jī)用途直流電機(jī)的用途直流發(fā)電機(jī)主要用作各種直流電源，為直流電動(dòng)機(jī)、電解、電鍍等提供直流電源。中鋁貴州分公司電解鋁車間電鍍車間直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)調(diào)速范圍寬廣、平滑、經(jīng)濟(jì)；過載能力強(qiáng)；起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；直流發(fā)電機(jī)發(fā)電質(zhì)量高。缺點(diǎn)存在換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；可靠性較差。各種直流電機(jī)外形變電站的大型變壓器換流變壓器1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋電樞繞組電樞鐵心換向器轉(zhuǎn)軸磁極鐵心勵(lì)磁繞組電刷刷握絕緣支架壓緊力調(diào)整裝置定子轉(zhuǎn)子直流電機(jī)（產(chǎn)生勵(lì)磁磁場）（產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，流過電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩）1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)—定子、轉(zhuǎn)子1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)勵(lì)磁繞組套在主磁極極身上直流電機(jī)電樞鐵心是轉(zhuǎn)子的主磁路，也是嵌放電樞繞組的部件；直流電機(jī)電樞鐵心一般用0.5mm且沖有齒、槽的硅鋼片疊壓夾緊而成。直流電機(jī)換向器和電刷配合使用起整流或逆變作用；直流電機(jī)換向器由很多具有鴿尾形的換向片排列成一個(gè)圓筒，片間用云母片絕緣。直流電機(jī)電樞鐵心直流電機(jī)電樞鐵心直流電機(jī)換向器均勻開槽兩個(gè)主要部分：①靜止部分—定子：主磁極、換向極、機(jī)座、電刷、端蓋及軸承等。②旋轉(zhuǎn)部分—轉(zhuǎn)子(電樞)：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、換向器等。1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)繞組特點(diǎn)：電樞繞組首尾相連，構(gòu)成一個(gè)閉合回路；電刷把電樞繞組平分為兩個(gè)支路；電刷接電源，導(dǎo)體中有電流；載流導(dǎo)體處在磁場中受電磁力，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可用左手判斷電樞在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)支路中導(dǎo)體不停發(fā)生變化，但支路中導(dǎo)體電流方向不變。每個(gè)極下導(dǎo)體中電流方向一致；電刷是電樞表面導(dǎo)體電流分界線。導(dǎo)體切割磁力線，導(dǎo)體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)方向與電流方向相反（右手定則）如果FLASH無畫面，則右擊鼠標(biāo)選擇播放2直流電機(jī)工作原理兩極直流電機(jī)的物理模型2直流電機(jī)工作原理

發(fā)電機(jī)如右圖，當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈abcd將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，方向?yàn)閐cba;電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周后，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)閍bcd;電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。2直流電機(jī)工作原理線圈電動(dòng)勢(shì)的波形2直流電機(jī)工作原理電刷間的電動(dòng)勢(shì)波形

發(fā)電機(jī)電樞線圈內(nèi)電勢(shì)、電流方向是交流電；電樞線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電流方向一致；電刷間為直流電勢(shì)，輸出直流電。思考：直流發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同還是相反？電動(dòng)機(jī)把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過，在磁場作用下，轉(zhuǎn)子受電磁力逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周后：線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。2直流電機(jī)工作原理電流方向abcd電流方向dcba直流電機(jī)工作原理小結(jié)單個(gè)線圈中，電動(dòng)勢(shì)是交變的；通過換向器與電刷的配合，可以將交流電通過機(jī)械“整流”的作用，轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電；為了減小脈動(dòng)影響，實(shí)際的電樞繞組由多個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)他勵(lì)自勵(lì)直流電機(jī)的額定值額定功率PN（W，kW）額定電壓UN（V，kV）額定電流IN

（A，kA）額定轉(zhuǎn)速nN

（r/min）額定勵(lì)磁電壓UfN（V，kV）額定效率ηN額定轉(zhuǎn)矩TN（單位N·m）額定狀態(tài)下電機(jī)的輸出功率發(fā)電機(jī)：PN=UNIN（電功率）電動(dòng)機(jī)：PN=UNINηN（機(jī)械功率）3.1小結(jié)直流電機(jī)及其用途直流電機(jī)的工作原理直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的額定值3.2直流電機(jī)電樞繞組作用旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。構(gòu)成原則在一定的導(dǎo)體數(shù)下，能夠產(chǎn)生盡可能大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，承擔(dān)足夠大的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率；在承擔(dān)一定的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率情況下，導(dǎo)體數(shù)盡可能少；結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)、檢修。3.2直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞鐵心表面加工有槽，電樞繞組放在槽內(nèi)。電樞鐵芯1—元件上層邊；2—元件下層邊；3—后端接；4—前端接。3.2直流電機(jī)電樞繞組疊繞組波繞組直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞繞組特點(diǎn)1N、S主磁極交替放置，間隔相等；2線圈兩條導(dǎo)體邊分別放在相臨磁極正下方；3一對(duì)導(dǎo)體邊稱為一個(gè)元件；4每個(gè)元件接在一個(gè)換向片上，并與電刷相連。每個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，分別放置在兩個(gè)不同的槽中；如果每槽只有上下兩個(gè)元件邊，那么：S＝Q（槽數(shù)）。虛槽：如果每槽分別有u個(gè)上元件邊和u個(gè)下元件邊，那么一個(gè)“實(shí)槽”就相當(dāng)于u個(gè)“虛槽”。用Qu來表示“虛槽數(shù)”。元件：兩端分別與兩個(gè)換向片連接的單匝線圈或多匝線圈每個(gè)元件與兩個(gè)換向片相連，每個(gè)換向片接兩個(gè)元件，因此：S（元件數(shù)）＝K（換向片數(shù)）Qu＝uQS＝K＝Qu電樞繞組的基本概念y1NSy1NSNSy2y2yy換向器節(jié)距：yc

yc=yycyc電樞繞組的基本概念單疊繞組1234單疊繞組（左行）1234單疊繞組實(shí)例分析實(shí)例分析：

P=2，S=K=16.畫出單疊繞組展開圖。分別計(jì)算線圈的第一節(jié)距、合成節(jié)距：單疊繞組實(shí)例分析11.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－NSNSττττ1234電樞轉(zhuǎn)向eeee虛槽號(hào)元件號(hào)換向片號(hào)567891011121314單疊繞組小結(jié)單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，也等于電刷的組數(shù)。2a=＝2p；為了使正負(fù)電刷間引出的電動(dòng)勢(shì)最大，電刷應(yīng)該放在不同支路的交接處，與電動(dòng)勢(shì)為零的元件接觸；每條支路由不相同的電刷引出，電刷數(shù)等于磁極數(shù);由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和；當(dāng)元件端接線對(duì)稱時(shí)，電刷的軸線正好位于主極中心線下。上例瞬間單疊繞組的電路圖電刷將閉合的電樞繞組分為若干條并聯(lián)支路單疊繞組與單波繞組單疊繞組：疊繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，2a＝2p，適應(yīng)于較大電流、較低電壓的電機(jī)。

單波繞組：波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，2a＝2，適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。3.3空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場磁場是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。直流電機(jī)中除主極磁場外，當(dāng)電樞繞組中有電流流過時(shí)，還將會(huì)產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機(jī)中的氣隙磁場，它直接影響電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩大小。空載磁場：當(dāng)電樞電流為零或很小時(shí)，由勵(lì)磁電流單獨(dú)建立的磁場?？蛰d磁通用Φm表示。Φm＝Φ0＋Φfσ主磁通：經(jīng)過氣隙，同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組的磁通，用Φ0表示，它是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。漏磁通：不經(jīng)過氣隙，僅與勵(lì)磁繞組交鏈的磁通，用Φfσ表示。它不參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。主磁場分布：氣隙磁密在一個(gè)極下按平頂波規(guī)律分布。Φm1.空載時(shí)直流電機(jī)的磁場＋＝勵(lì)磁電流形成的磁場電樞電流形成的磁場負(fù)載時(shí)的磁場2.負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢(shì)：電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。電樞反應(yīng)：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁場的影響。直軸（d軸）：主極軸線。dq交軸（q軸）：與直軸正交的軸線。幾何中性線：相鄰兩主極之間的中心線，也就是交軸。物理中性線：電樞圓周上通過圓心和磁通密度為0點(diǎn)的直線。幾何中性線物理中性線2.負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)基本概念：設(shè)：電刷位于幾何中性線，電樞繞組流過電流ia，則：電樞磁動(dòng)勢(shì)只有交軸分量；

電刷位置是電樞表面電流分布的分界線，建立Na和Sa兩極電樞磁場。即：當(dāng)電刷位于幾何中性線上時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)交軸磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)設(shè)Za為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，ia為

導(dǎo)體內(nèi)的電流（支路電流），則一

個(gè)極下電樞的安培導(dǎo)體數(shù)為：Zaia/2p;這些載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)即是一對(duì)極的交軸磁動(dòng)勢(shì)。則：一個(gè)極下交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的幅值

Faq(安/極)為：fa(x)Ba(x)結(jié)論：電樞磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)三角形波，其軸線位置與電刷的軸線位置重合。電樞磁動(dòng)勢(shì)波形的位置在空間保持不變。當(dāng)電刷位于幾何中性線上時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。交軸電樞磁密是一個(gè)馬鞍形波。交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞反應(yīng)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生交軸氣隙磁場，并影響到原來氣隙磁場的大小和分布，這種影響稱為交軸電樞反應(yīng)。交軸電樞反應(yīng)：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁場的影響交軸電樞反應(yīng)b0ba(x)bδ(x)O結(jié)論2：對(duì)發(fā)電機(jī)，物理中性線順著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向偏離幾何中性線一個(gè)α角度；對(duì)電動(dòng)機(jī)，物理中性線逆著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向偏離幾何中性線一個(gè)α角度。結(jié)論3：不計(jì)鐵心飽和時(shí)，主磁場一半被削弱、另一半被加強(qiáng)，去磁作用與助磁作用恰好相等，使得每極總磁通量不變，Φδ＝Φ0。結(jié)論4：考慮鐵心飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)的去磁作用大于助磁作用，使得每極總磁通量略有減小，Φδ<Φ0。+++············+++++++++＝＋β·······+++++++bβbβ+++·····++bβbβFaqFaFad直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)，電樞反應(yīng)不僅有交軸分量，還有直軸分量。直軸電樞反應(yīng)：直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁場的影響。直軸電樞反應(yīng)的作用為：運(yùn)行狀態(tài)電刷順旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)一個(gè)角度電刷逆旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)一個(gè)角度發(fā)電機(jī)去磁效應(yīng)助磁效應(yīng)電動(dòng)機(jī)助磁效應(yīng)去磁效應(yīng)直軸電樞反應(yīng)如若使直軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生助磁作用，則引起換向困難等。所以直流電機(jī)的電刷要嚴(yán)格放在交軸位置，避免產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)。3.4電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞導(dǎo)體“切割”氣隙磁場，電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電樞繞組電動(dòng)勢(shì)Ea＝電刷兩端的電動(dòng)勢(shì)＝一條并聯(lián)支路的合成電動(dòng)勢(shì)。每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：1.電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：注意：該公式對(duì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都適用；電樞電動(dòng)勢(shì)與每極氣隙磁通量和轉(zhuǎn)速成正比；只要有磁通量和轉(zhuǎn)速，電樞內(nèi)就有電動(dòng)勢(shì)。其中，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：2.電樞的電磁轉(zhuǎn)矩分析思路：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式：其中，轉(zhuǎn)矩常數(shù)：1.電壓方程---發(fā)電機(jī)情況下電樞總電阻電樞電阻電刷壓降3.5直流電機(jī)的基本方程注意：Ia=I+If（并勵(lì)），Ia=I（他勵(lì)、串勵(lì)）3.5直流電機(jī)的基本方程1.電壓方程---電動(dòng)機(jī)情況下電樞總電阻電樞電阻電刷壓降注意：Ia=I-If（并勵(lì)），Ia=I（他勵(lì)、串勵(lì)）發(fā)電機(jī)：Ea與Ia方向一致，發(fā)電機(jī)向負(fù)載輸出電功率。Ia=I+If電動(dòng)機(jī)：Ea與Ia方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)從電源吸收電功率。I=Ia+IfIfUEaI+-IaRfRL發(fā)電機(jī)IfUEaI+-IaRf電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)直流電機(jī)的電磁功率直流電動(dòng)機(jī)：從電源吸收的電功率，通過電磁感應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成軸上的機(jī)械功率；直流發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用所做的機(jī)械功率等于通過電磁感應(yīng)作用在電樞回路所得到的電功率。電路系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)3.5直流電機(jī)的基本方程2.功率方程---發(fā)電機(jī)情況下P0：克服機(jī)械摩擦、風(fēng)阻、鐵心損耗等所需的功率?！鷦?lì)磁銅耗：pCuf=UfIf空載損耗:p0P2=UIP2=UIP1=T1ΩP1=T1Ω直流發(fā)電機(jī)功率圖基本銅耗：pCua=Ia2R電刷損耗：ps=2ΔUsIa3.5直流電機(jī)的基本方程2.功率方程---電動(dòng)機(jī)情況下→直流電動(dòng)機(jī)功率圖P2=T2ΩP1=UIP2=T2ΩP1=UI勵(lì)磁銅耗：pCuf=UfIf空載損耗:p0基本銅耗：pCua=Ia2R電刷損耗：ps=2ΔUsIaP1＝Pe＋p0T1Ω＝TeΩ＋T0ΩT1＝Te＋T0制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩3.直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程TeT1T0n3.直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程T2TeT0nPe＝P2＋p0TeΩ＝T2Ω＋T0ΩTe＝T2＋T0驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行是可逆的；一臺(tái)直流電機(jī)，既可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。判別直流電機(jī)運(yùn)

行狀態(tài)的條件是：

Ea>U（發(fā)電機(jī)）Ea<U

（電動(dòng)機(jī)）4.直流電機(jī)的可逆性3.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的四個(gè)基本物理量：U、I、If、n。（n由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，保持不變）運(yùn)行特性：在U、I、If之間，保證其中一個(gè)量不變，另外兩個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系。主要特性：（1）n＝常數(shù)，I＝常數(shù)，U＝f（If）；空載特性（2）n＝常數(shù)，If＝常數(shù)，U＝f（I）；外特性（3）n＝常數(shù)，U＝常數(shù)，If＝f（I）；調(diào)節(jié)特性（4）n＝常數(shù)，U＝常數(shù)，η＝f（P2）；效率特性注意：運(yùn)行特性與電機(jī)的勵(lì)磁方式有關(guān)。以下分他勵(lì)、并勵(lì)分別介紹。當(dāng)n=nN，I=0時(shí)：U0=f(If)Ea=CenNΦ=U+IaRa=U0U0∝Φ，Φ=f(If)剩磁電壓U0r≈(2～4)%UN1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性空載特性實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)的磁化曲線。當(dāng)n=nN，If=C時(shí)：U=f(I)U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa隨著I的增加，有兩個(gè)因素使端電壓U下降：（1）I↗→IaRa↗→U↘（2）I↗→Ia↗→Fa↗→交軸電樞反應(yīng)↗→去磁效應(yīng)使Φ↘→U↘IUO1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性IUOU0UNIN負(fù)載變化時(shí)，端電壓的變化不大，基本上屬于恒壓的直流電源；由于電樞總電阻很小，他勵(lì)發(fā)電機(jī)在額定勵(lì)磁下發(fā)生短路時(shí)，短路電流Ik=(20-30)IN，盡量避免。1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率額定電壓調(diào)整率If0定義：當(dāng)n=nN，U=UN時(shí)：If=f(I)分析：U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa隨著電樞電流I的增加，端電壓U有下降的趨勢(shì)。為了維持U=UN，必須使：If↗→Φ

↗→Ea↗IIfOIfNIN1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性不變損耗p0＝機(jī)械損耗pΩ＋基本鐵耗pFe可變損耗pI＝基本銅耗pCua＋電刷損耗ps

＋勵(lì)磁銅耗pCuf

＋雜散損耗pΔP2ηOPNηN1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的效率特性AIf0U0O勵(lì)磁電阻線U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRaUf=U=RfIfΦ=f(If)IfU0EaI+-IaRfU0r磁化曲線2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程并勵(lì)的勵(lì)磁是由發(fā)電機(jī)本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵(lì)磁電流作用下建立的。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通產(chǎn)生電流，電流產(chǎn)生磁通與剩磁方向相同，不斷使電動(dòng)勢(shì)增大，直到達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點(diǎn)A。AIf0U0O勵(lì)磁電阻線（1）電機(jī)必須有剩磁；U0r磁化曲線臨界電阻線（2）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的方向必須與剩磁的方向一致；（3）勵(lì)磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。ΦrΦf2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件定義：當(dāng)n=nN，Rf=C時(shí)：U=f(I)分析：U=Ea-IaRa=CenNΦ-IaRa與他勵(lì)發(fā)電機(jī)比較，隨著I的增加，還有第三個(gè)因素使端電壓U下降：U↘→If↘→Φ↘→Ea↘→U↘↘并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)：ΔuN≈20％IfUEaI+-IaRfRLUNINIkIUOU0他勵(lì)并勵(lì)負(fù)載運(yùn)行時(shí)：根據(jù)：I=U/RL≈Ea/(Ra+RL)(1)RL↘→I↗→U↘(2)RL↘↘→U↘↘→If↘↘→Ea↘↘→I↘→拐彎(3)短路運(yùn)行時(shí)：U=0，勵(lì)磁電流為0，電樞短路電流僅由剩磁電動(dòng)勢(shì)引起，I=Ik，穩(wěn)態(tài)短路電流不大。2.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性復(fù)勵(lì)：既有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組的勵(lì)磁方式。積復(fù)勵(lì)：串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)的方向相同。差復(fù)勵(lì)：串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)與并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)的方向相反。IfEaI+-IaUUIOINUN差復(fù)勵(lì)欠復(fù)勵(lì)平復(fù)勵(lì)過復(fù)勵(lì)積復(fù)勵(lì)3.復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性工作特性速率特性：n＝f(P2)轉(zhuǎn)矩特性：Te＝f(P2)效率特性：η＝f(P2)機(jī)械特性：n=f(Te)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件備注：運(yùn)行特性與電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式（并勵(lì)、串勵(lì)、他勵(lì)）有很大的關(guān)系，下面依次介紹。3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性定義：U=UN，If=IfN(Rf=C)；分析：n,Te,η=f(P2)n0n=f(P2)T0Te=f(P2)T2=f(P2)P2Oη=f(P2)1.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性—工作特性注意：并勵(lì)勵(lì)磁回路不允許斷開！1.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性—機(jī)械特性I’fTeNTeOnn0RaR’aR”aIf=CRa<R’a<R”an0IfI”fRa=CIf>I’f>I”fTeOnTeN結(jié)論：增加電樞回路電阻Ra，機(jī)械特性變軟，轉(zhuǎn)速下降。增加勵(lì)磁回路電阻Rf，機(jī)械特性變軟，轉(zhuǎn)速升高。定義：U=UN，Ia=Is=I；分析：n,Te,η=f(Ia)n=f(Ia)IaOTe=f(Ia)η=f(Ia)2.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性—工作特性Te,n注意：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行。定義：U=UN，Ia=Is=I；分析：n=f(Te)n=f(Te)TeOn2.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性—機(jī)械特性結(jié)論：隨著電磁轉(zhuǎn)矩Te的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n迅速下降，其機(jī)械特性為軟特性。串勵(lì)回路電阻Rs越大，機(jī)械特性越軟。定義：If=C；分析：n＝f(Te)TeOnU1>UN>U2>U3UNTeNU1U2U3一組平行線3.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性—機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性固有特性人為特性電樞串電阻降低電源電壓調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流如果FLASH無畫面，則右擊鼠標(biāo)選擇播放直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性總結(jié)勵(lì)磁方式他勵(lì)(變U)并勵(lì)(變Ra、Rf)串勵(lì)(變Rs)主要特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1：機(jī)械特性硬度不變。優(yōu)點(diǎn)2：轉(zhuǎn)速可調(diào)高、也可調(diào)低。缺點(diǎn)：需專用調(diào)壓直流電源。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速簡單、方便。缺點(diǎn)1：能耗大。缺點(diǎn)2：增加Ra只能調(diào)低轉(zhuǎn)速，增加Rf只能調(diào)高轉(zhuǎn)速。且機(jī)械特性會(huì)變軟。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)1：軟機(jī)械特性。缺點(diǎn)2：輕載時(shí)容易飛速。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性對(duì)比電力拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)載4.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（1）電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成4.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（2）電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性必要條件：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點(diǎn)，即存在Tem=TL充分條件：在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以上存在Tem＜TL，而在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以下存在Tem＞TL。不穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行有一臺(tái)17kW、220V的并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速nN=1450r/min，額定線電流和勵(lì)磁電流分為IN=95A和IfN=4.3A，電樞電阻R=0.09，試求額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的下列數(shù)據(jù)：（1）電樞電流和電樞電動(dòng)勢(shì)；（2）電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩；（3）輸入功率和效率。解：（1）IaN=IN-IfN=95-4.3=90.7AEaN=UN-IaNR-2△Us=220-90.7×0.09-2=209.8V(2)PeN=EaNIaN=209.8×90.7=19028W

TeN=125.3N.m(3)P1N=UI=220×95=20900W例題3-1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)的定義起動(dòng)的方法直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速的定義調(diào)速的方法直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)制動(dòng)的定義制動(dòng)的方法3.8直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)起動(dòng)過程：

電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。起動(dòng)的要求：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；起動(dòng)電流??；滿足Tst足夠大的條件下，盡量減少Ist起動(dòng)方法：直接起動(dòng)；電樞回路串電阻；降低電壓起動(dòng)。1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)tOnnN全壓起動(dòng)：起動(dòng)電流太大將會(huì)對(duì)電機(jī)造成一定影響；只適應(yīng)與小型直流電機(jī)的起動(dòng)。直接起動(dòng)Ist太大，須限制Ist=(1.5~2)IN限制Ist的方法有：降壓起動(dòng)；電樞回路串電阻起動(dòng)。1.直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)--直接起動(dòng)電樞回路串電阻Rst起動(dòng)時(shí)，使得起動(dòng)電流為：Rst1k1Rst2k2Rst3k3U+-k3k2k11.直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)—電樞回路串變阻器特點(diǎn)：可以有效抑制起動(dòng)電流Ist=U/(Ra+Rst)；需要附加起動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生額外的電阻損耗；適應(yīng)于小容量并勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻機(jī)械特性1.直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)--—電樞回路串變阻器需要可調(diào)壓的直流電源；起動(dòng)過程:先建立勵(lì)磁,再給電樞加低壓,并隨轉(zhuǎn)速逐漸加大U。

特點(diǎn)：設(shè)備投資較大，但起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過程能量損耗小。nT0TN1.直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)—降壓起動(dòng)調(diào)速：負(fù)載不變情況下的速度改變。調(diào)速方法：

電樞控制：改變電壓，電樞串電阻；磁場控制：改變勵(lì)磁電流。調(diào)速要求：

調(diào)速范圍：D=nmax/nmin；平滑性；經(jīng)濟(jì)性；調(diào)速設(shè)備簡單、可靠、操作方便。2.直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)注意：調(diào)速前后，電動(dòng)機(jī)工作在不同的機(jī)械特性上，如果機(jī)械特性不變，因負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速的變化，則不能稱為調(diào)速。tOnn1t1nNnTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串電阻時(shí)的工作點(diǎn)串電阻Rs1后,工作點(diǎn)由A→A’→B2.直流電機(jī)調(diào)速--電樞回路串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速設(shè)備簡單、操作方便，轉(zhuǎn)速可連續(xù)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：耗能，只能調(diào)低轉(zhuǎn)速，輕載時(shí)調(diào)速范圍不大。調(diào)速過程電流變化曲線調(diào)速前、后電流不變調(diào)速過程轉(zhuǎn)速變化曲線tt=0n1nNIaNianian結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),串電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。2.電樞回路串電阻調(diào)速—機(jī)械特性Te=CTΦIa優(yōu)點(diǎn)操作方便；轉(zhuǎn)速可上、下連續(xù)調(diào)節(jié)；節(jié)能；機(jī)械特性硬度不變。缺點(diǎn)調(diào)速設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格高。TeOnU1>UN>U2>U3UNTeNU1U2U32.直流電機(jī)調(diào)速—調(diào)壓調(diào)速備注：降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程很相似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時(shí)間變化的曲線也相似。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速設(shè)備簡單，操作方便、控制靈活，轉(zhuǎn)速可連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)能，效率高。缺點(diǎn)：機(jī)械特性變軟，只能調(diào)高轉(zhuǎn)速，有“飛車”的危險(xiǎn)。If2n0If1If3If1>If2>If3TeOnTeNnnNn1IaNIa1iatOTe=CTΦIa2.直流電機(jī)調(diào)速—調(diào)勵(lì)磁電流調(diào)速n01n02注意：磁場越弱，轉(zhuǎn)速越高。因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路不能開路。Rs1TeOnRs2Rs3Rs1<Rs2<Rs3TLU1TeOnU2U3U1>U2>U3TL調(diào)速方式主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)改變Rs簡單只能調(diào)低轉(zhuǎn)速改變U轉(zhuǎn)速可調(diào)低、可調(diào)高復(fù)雜串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速某臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定功率PN=22kW,額定電壓UN=220V，額定電流IN=115A,額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min,電樞回路總電阻Ra=0.1歐姆，忽略空載轉(zhuǎn)矩T0,電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，要求把轉(zhuǎn)速降到1000r/min，計(jì)算：（1）采用電樞串電阻調(diào)速調(diào)速需串入的電阻值；（2）采用降低電源電壓調(diào)速需把電源電壓降到多少；（3）上述兩種調(diào)速情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率。例題分析例題分析例題分析

1）電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相同，此時(shí)電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。2）制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)制動(dòng)：從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)行過程。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的目的：停車；限速；電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的方法有：機(jī)械制動(dòng)；電磁制動(dòng)。電磁制動(dòng)：讓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁力矩來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。電磁制動(dòng)分類：能耗制動(dòng)；回饋制動(dòng)；反接制動(dòng)。3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)狀態(tài)能耗制動(dòng)+-+-3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—能耗制動(dòng)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)制動(dòng)過程工作段電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載,穩(wěn)定工作點(diǎn)3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—能耗制動(dòng)1、電壓反接制動(dòng)電樞反接的反接制動(dòng)電路圖Ia為負(fù)值，T為負(fù)值，T與n反向。一般用于反抗性負(fù)載。3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—反接制動(dòng)工作點(diǎn)變化為：

1、電壓反接制動(dòng)機(jī)械特性3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—反接制動(dòng)3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—反接制動(dòng)2、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性方程就是電動(dòng)狀態(tài)時(shí)電樞串電阻時(shí)的人為特性方程倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于串入電阻很大，所以：電樞回路串入大電阻后特性曲線正向電動(dòng)狀態(tài)提升重物(A點(diǎn))負(fù)載作用下電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)(下放重物)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物D點(diǎn)3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—反接制動(dòng)2.倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)機(jī)械特性電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，在某種條件下會(huì)出現(xiàn)n>n0

情況，此時(shí)Ea>U，Ia反向,Tem反向，由驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹苿?dòng)。從能量方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動(dòng)狀態(tài)。回饋制動(dòng)時(shí)由于有功功率回饋到電網(wǎng)，因此與能耗和反接制動(dòng)相比，回饋制動(dòng)是比較經(jīng)濟(jì)的。3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—回饋制動(dòng)3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)—回饋制動(dòng)發(fā)生在動(dòng)態(tài)過程中的回饋制動(dòng)過程有以下兩種情況1）降壓調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)；2）增磁調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)降壓調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)增磁調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)4.直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)方法：

改變氣隙磁通；改變電路的電樞流方向。實(shí)質(zhì)：通過改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，從而使電機(jī)反轉(zhuǎn)。其中，電樞電壓反接使電樞電流反向從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速方向比較常見。換向的概念

電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，被電刷短路的元件從短路開始到短路結(jié)束，從一條支路轉(zhuǎn)換到另一條支路，電流改變了方向。

換向元件中電流的這種變化過程，稱為換向過程；

從換向開始到換向結(jié)束所需時(shí)間，稱為換向周期。

換向不利會(huì)產(chǎn)生換向火花，損壞直流電機(jī)。3.9直流電機(jī)的換向1.電流的換向過程元件1從電刷A右邊轉(zhuǎn)到左邊，電流方向改變。1′·······1········NSA1′·······1·SNA1.電流的換向過程設(shè)電刷寬度等于換向片寬度12vkia2ia換向開始t=012vkiai1i22ia正在換向t=(0～Tk)2iaia12vk2ia換向結(jié)束

t=Tk直線換向如果換向元件中電勢(shì)為零，則在被電刷短路的閉合回路中不會(huì)有環(huán)流。換向元件中的電流由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定。變化曲線是一條直線，稱為直線換向。換向周期TK：即一元件被電刷短路開始到短路完畢所經(jīng)歷的時(shí)間。iTki+ia-iat0理想換向（直線換向）即換向元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。換向元件中的感應(yīng)電勢(shì)（1）電抗電勢(shì)er

換向元件中由于換向電流的變化所引起的自感電勢(shì)和互感電勢(shì)之和，稱為電抗電勢(shì)。Lr：換向元件的電抗系數(shù)，包括自感和互感er的平均值：設(shè)電刷寬度bs等于換向片寬度bk，換向片數(shù)為K，則：換向元件中的感應(yīng)電勢(shì)電抗電勢(shì)的特點(diǎn)：

電機(jī)負(fù)載越重或轉(zhuǎn)速越高，電抗電勢(shì)越大。

電抗電勢(shì)的方向阻止換向電流的變化，因此er的方向必與換向前的元件電流ia的方向一致。

換向元件所處的幾何中線處，主磁場幾乎為零；電樞反應(yīng)磁勢(shì)所產(chǎn)生的磁通Φa正好穿過換向元件。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向元件切割Φa

所生電勢(shì)ea稱為旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。ΦaeaNSner（2）旋轉(zhuǎn)電勢(shì)換向元件中的感應(yīng)電勢(shì)換向元件中的感應(yīng)電勢(shì)旋轉(zhuǎn)電勢(shì)的特點(diǎn)：

設(shè)換向元件匝數(shù)為Wk，電樞反應(yīng)磁勢(shì)在換向元件處所生的磁密為B